[:it]Un capitolo di M. Barbera, U. Lo Cicero e L. Sciortino (INAF-OAPA) sui filtri per telescopi sensibili ai raggi X pubblicato nel libro: “Handbook of X-ray and gamma ray astrophysics”[:en]A chapter wrote by M. Barbera, U. Lo Cicero and L. Sciortino (INAF-OAPA) on the filters for X-ray telescopes is included in the: “Handbook of X-ray and gamma ray astrophysics”[:]

[:it]L’astronomia ai raggi X esplora l’Universo alle alte energie. I raggi X infatti sono fotoni ad altissima energia, che vengono emessi da gas estremamente caldi (con temperature di milioni di gradi) o da processi che coinvolgono particelle con energie relativistiche. Alcune sorgenti astronomiche di raggi X sono i buchi neri con fenomeni di accrescimento, come ad esempio i buchi neri supermassicci nel nucleo di galassie attive, le corone stellari, i resti di supernova e gli ammassi di galassie.

Esistono delle complicazioni importanti nel progettare telescopi sensibili ai raggi X. Innanzitutto, per osservare i raggi X provenienti da oggetti astronomici è necessario usare dei satelliti. Questo perchè la nostra atmosfera è totalmente opaca a questo tipo di radiazione. Inoltre, questi telescopi hanno bisogno di design specifici per riuscire a focalizzare fotoni così energetici e permettere ai detector di catturali e misurarne le proprietà. I telescopi ai raggi X principali operanti al momento (come il satellite Chandra della NASA o XMM/Newton dell’ESA) usano come rivelatorio di fotoni i CCD (Charge-Coupled Device), con una tecnologia del tutto simile a quella usata nelle camere di telefonini e macchine fotografiche. In questi rivelatori, all’incidenza di un raggio X in un dato pixel si accumula una carica elettrica che viene raccolta e letta dalla strumentazione di bordo. La carica accumulata è proporzionale all’energia del fotone incidente, permettendo di misurarla accuratamente. Telescopi di nuova generazione, invece, useranno microcalorimetri. In questi dispositivi, all’incidenza del fotone consegue un aumento della temperatura di un assorbitore dalle dimensioni micrometriche. L’aumento di temperatura, seppur minimo (dell’ordine di alcuni millesimi di gradi), è proporzionale all’energia del fotone incidente, e può essere “letto” da un componente elettronico chiamato “thermistor” (che di fatto cambia la propria resistenza elettrica a seguito dell’aumento di temperatura).

Purtroppo, però, i rivelatori di raggi X possono produrre del segnale anche se colpiti da radiazione in altre bande dello spettro elettromagnetico, principalmente UV, visibile ed infrarosso. Oltre a risultare in rumore che contamina le misure effettuate, il segnale prodotto può degradare la precisione con cui si misura l’energia dei fotoni ai raggi X. Per questo motivo, questi telescopi devono anche essere dotati di filtri per bloccare radiazione indesiderata. La costruzione di questi filtri è complessa, in quanto essi devono rispondere a diversi criteri, quali: 1) essere trasparenti ai raggi X, 2) essere opachi agli altri tipi di radiazione, 3) essere piccoli e leggeri ma resistenti alle sollecitazioni meccaniche e sonore durante il lancio, e 4) bloccare l’incidenza di particelle cariche, principalmente quelle a bassa energia. L’Osservatorio Astronomico di Palermo, ed in particolare il laboratorio XACT, è fortemente coinvolto nella progettazione dei filtri che saranno montati sul satellite dell’Agenzia Spaziale Europea Athena, il cui lancio è previsto nella prima metà degli anni ’30. In particolare, sono in stato di sviluppo filtri necessari per lo spettrometro X-IFU, i cui microcalorimetri dovranno operare a temperature minori di 100 mK. Questi filtri (l’attuale progetto prevede cinque filtri posti a distanze variabili dal rivelatore) bloccheranno la radiazione principalmente infrarossa emessa da superfici più calde, e saranno costituiti da uno strato di poliimmide di 45 nm (1nm è un miliardesimo di metro) rivestito da uno strato di 30 nm di alluminio. Sono in fase di sviluppo presso XACT anche dei filtri per la camera WFI di Athena, mirati a bloccare radiazione UV e visibile. Il progetto attuale prevede l’utilizzo di due filtri, uno costituito da tre strati (90 nm di alluminio più 30 nm di nitruro di silicio, Si3N4, e 20 nm di silice, SiO2) depositato direttamente sulla superficie sensibile del rivelatore, ed uno da installare nella ruota porta-filtri costituito da uno strato di 150 nm di poliimmide e 30 nm di alluminio.

L’importanza dell’uso di filtri in telescopi per l’osservazione di raggi X, il loro sviluppo storico, e le tecnologie implementate per i telescopi di nuova generazione sono l’argomento trattato nel capitolo “Filters for X-ray detectors on Space missions“, che verrà incluso nel libro in tre volumi “Handbook of x-ray and gamma ray astrophysics” edito da Springer Nature Singapore, con Editors-in-Chief Cosimo Bambi (Fudan University) e Andrea Santangelo (University of Tübingen). Gli autori del capitolo sono Marco Barbera e Luisa Sciortino (Università degli Studi di Palermo, associati all’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo), Ugo Lo Cicero (INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo).

L’immagine (cliccare qui per visualizzare la figura interamente) mostra dei campioni di filtri progettati per WFI (immagine a sinistra) e X-IFU (immagine a destra) preparati per i test meccanici condotti nel laboratorio del Centro Spaziale di Liegi.

Mario Giuseppe Guarcello ( segui mguarce) ( youtube)

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Iscriviti al canale Youtube dell’Osservatorio Astronomico di Palermo[:en]X-ray astronomy explores the high-energy Universe. X-rays are, in fact, high energy photons emitted by very hot gas (with temperature of some milion degrees) or by processes involving relativistic particles. Some astronomical sources of X-rays radiation are: accreting black holes, such as the supermassive black holes at the center of active galaxies, stellar coronae, supernova remnants, and clusters of galaxies.

However, there are several intrinsic complications that must be faced for the development of a X-ray telescope. First, Earth atmosphere is opaque to X-rays, which means that these telescopes must be mounted on satellites. Besides, X-ray telescopes require a specific design in order to focus such energetic photons, and allow the detectors at the focus to capture them and measure their properties. Aboard of currently operating X-ray telescopes, such as Chandra of NASA and XMM/Newton of ESA, the detectors are CCDs (Charge-Coupled Device), similar to that of every telephones camera. In these devices, a charge is accumulated in each pixel that is hit by a X-ray photon. The amount of accumulated charge is proportional to the energy of the incident photon, and thus, when the instrumentation reads the amount of accumulated charge, it provides a measure of this energy. Future X-ray telescope will use instead microcalorimeters. The sensitive surface of these devices produces heat after the incidence of a X-ray photon. The increase of temperature (which is in the order of a few thousandths of one degree) is read by another component called “thermistor“, whose resistance changes as a consequence of the increased temperature.

However, X-ray detectors produce spurious signals even when they are hit by photons of different bands, such as UV, visible, and infrared. This spurious signal may contaminate the measurements and degrade the accurancy of the photons energy determination. For these reasons, X-ray telescopes are equipped with filters aimed at blocking the contaminating radiation. The main requirements for these filters are: 1) being transparent to X-rays, 2) being opaque to the other radiation, 3) being small and light, but also resistant to the mechanical and acustic stress during launch, 4) being able to block also the incoming charged particles, mainly those with low energy. The XACT facility of the Astronomical Observatory of Palermo is strongly involved in the development of the filters to be mounted on the X-ray telescope Athena of the European Space Agency, whose launch is planned for the early 30s. In particular, the facility is involved in the development of the filters for the X-IFU spectrometer, whose microcalorimeters while operate at very low temperature (about 100 mK). These filters (five filters mounted at various distances from the detector) will block the IR radiation emitted by the surrounding warmer surfaces, and they will be constituted of a polyimide 45 nm thin layer coated with a 30 nm layer of aluminium. Also filters for the WFI camera of Athena are under development in the XACT laboratory, which will be used to block UV and optical radiation. In the current design, two filters will be installed. One will be made of three layers (90 nm of alluminium, 30 nm of Si3N4 and 20nm of SiO2) deposited onto the detector surface, while the second one will be mounted on the filter wheel and it will be made of two layers: a 150 nm layer of polyimide plus a 30 nm layer of aluminium.

The importance of filters in X-ray telescopes, their development, and the technologies implemented in their construction for modern telescopes are described in the chapter “Filters for X-ray detectors on Space missions“, included in the handbook “Handbook of x-ray and gamma ray astrophysics” (Springer Nature Singapore, Editors-in-Chief Cosimo Bambi of the Fudan University and Andrea Santangelo of the University of Tübingen). The authors of this chapert are Marco Barbera and Luisa Sciortino (University of Palermo and INAF – Astronomical Observatory of Palermo) and Ugo Lo Cicero (INAF – Astronomical Observatory of Palermo).

The image (click here to visualize the entire image) shows two filters prototypes developed WFI (left panel) and X-IFU (right panel) mounted on the shaker head for mechanical stress tests at the Spatial Center of Liegi.